真核細(xì)胞在活組織中以空間變化的取向順序形成動(dòng)態(tài)圖案，從而影響重要的生理過(guò)程，例如凋亡和細(xì)胞遷移。現(xiàn)今面臨的挑戰(zhàn)是如何在生長(zhǎng)的組織上賦予預(yù)先設(shè)計(jì)的取向順序圖案。由細(xì)胞彼此緊密接觸形成的活組織，常因不等軸細(xì)胞的相互排列而表現(xiàn)出取向順序。由導(dǎo)向子所表示的平均取向的方向在時(shí)間和空間上變化，所產(chǎn)生的拓?fù)淙毕莘Q為位錯(cuò)。這些缺陷在組織內(nèi)移動(dòng)，并在壓縮-舒張應(yīng)力和諸如提取死細(xì)胞的過(guò)程中起重要作用。在生物醫(yī)學(xué)以及操縱活性物質(zhì)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)用于具有取向順序的活細(xì)胞的組織支架并控制缺陷的拓?fù)漕愋秃蛣?dòng)力學(xué)的方法十分重要。
近日，肯特州立大學(xué)的Oleg D. Lavrentovich教授團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》上介紹了一種使用光取向液晶彈性體（LCE）在水性介質(zhì)中各向異性膨脹，以產(chǎn)生具有預(yù)先設(shè)計(jì)的定向圖案和拓?fù)淙毕莸娜祟惼つw成纖維單層細(xì)胞的方法。刻在LCE上的圖案被組織單層復(fù)制，并引起細(xì)胞表型的強(qiáng)烈空間變化，以及表面密度和數(shù)量密度的波動(dòng)。各向異性表面錨固抑制了活性物質(zhì)固有的缺陷對(duì)的解鏈動(dòng)力學(xué)，從而可以估計(jì)組織的彈性特征。這種圖案化LCE方法具有控制活組織中細(xì)胞的集體行為，細(xì)胞分化和組織形態(tài)發(fā)生的潛力。
作者在聚合之前將LCE前體的分子取向通過(guò)等離激元光致取向來(lái)圖案化。然后通過(guò)前驅(qū)物的紫外（UV）光聚合固定納米級(jí)分子順序。最后將細(xì)胞的水分散體沉積到LCE基底上。水中溶脹會(huì)產(chǎn)生LCE各向異性的非平坦形貌，該形貌將引導(dǎo)伸長(zhǎng)的人類皮膚成纖維細(xì)胞（HDF）接觸基底后取向。接種和細(xì)胞分裂的共同作用產(chǎn)生了融合的組織，HDF細(xì)胞排列模式遵循LCE導(dǎo)向子的預(yù)先設(shè)計(jì)圖案。順序參數(shù)SHDF的結(jié)果表明，取向順序主要是由每個(gè)細(xì)胞與LCE基底的直接相互作用引起的。
晶粒沿
的伸長(zhǎng)是由LCE彈性的各向異性引起的，并且當(dāng)
在空間變化時(shí)依然存留。即使非常靠近（~10μm）梯度發(fā)散的拓?fù)淙毕莺诵?，晶粒依然可以?noscript>
空間變化而伸長(zhǎng)。這一功能將LCE基底的取向能力擴(kuò)展到空間變化的圖案。HDF細(xì)胞可以遵循預(yù)設(shè)的導(dǎo)向子
(r)自組織成具有取向的組裝。由+1/2和-1/2位錯(cuò)的存在證明，組裝的取向順序是非極性的，
=-
。這些位錯(cuò)的核心與LCE中位錯(cuò)的核心共定位。在“濕”活性向列相與動(dòng)量守恒中，由于+1/2缺陷的高移動(dòng)性，+1/2和-1/2缺陷對(duì)趨向于解除綁定。
HDF細(xì)胞取向遵循純展開(kāi)或彎曲的整數(shù)+1缺陷的LCE圖案化導(dǎo)向子。局部細(xì)胞密度在+1核附近增加。在距核20μm的距離處，放射狀+1缺陷的細(xì)胞表面密度為σ≈0.5×108m-2，比遠(yuǎn)離核（r = 300μm）的密度0.35×108m-2高1.5倍。圓形+1缺陷具有更高的聚集細(xì)胞能力：σ≈1.5×108m-2。相反，-1缺陷HDF細(xì)胞密度比+1缺陷低三倍，σ≈0.5×108m-2，其比遠(yuǎn)離缺陷核的密度低25％到30％。LCE基質(zhì)對(duì)HDF細(xì)胞的大小和形狀有顯著影響。因?yàn)榧?xì)胞相互接觸，σ在不同LCE圖案處具有強(qiáng)烈變化，轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的大小和形狀差異。在+1缺陷附近HDF近似為橢圓形，而-1缺陷附近的細(xì)胞則更長(zhǎng)。
作者證明了具有空間變化分子取向的光圖案結(jié)構(gòu)LCE基底可用于生長(zhǎng)具有預(yù)先設(shè)計(jì)的細(xì)胞排列方式的生物組織。未來(lái)可以通過(guò)對(duì)LCE進(jìn)行化學(xué)功能化，制造具有環(huán)境響應(yīng)動(dòng)態(tài)形貌的LCE基底，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)所提出的技術(shù)，對(duì)組織發(fā)育和再生的基本機(jī)理有更深入的了解
